吴克文 黄冈职业技术学院电子信息学院湖北黄冈 438000
【文章摘要】
本文根据实际环境，在对国内现有便器水箱阀类配件试验平台深入分析的基础上，提出了变频恒压供水系统试验平台的设计方案，完成了试验平台的硬件和软件系统的设计，为实际应用中的便器水箱配件测试提供了一个有效而又可行的思路。
【关键词】
变频恒压；供水系统；试验平台
便器，俗称“马桶”，在人们生活中是必不可少的，是主要生活用水器具，也是我国城镇节水的主要节水器具之一。但由于产品的质量问题和相关检验标准不完善造成马桶漏水、费水的问题已引起人们的高度关注。而便器水箱的阀类配件的质量是影响产品整体质量的关键因素。为了保证便器产品的整体质量就必须开发更先进的检测设备，以保证产品的检测方法和质量。具统计全国大约1000 余家陶瓷厂和各级质检部门需要在装配后使用状态下对便器水箱配件进行试验的综合试验平台，市场潜力巨大。
本文在对国内现有便器水箱阀类配件试验平台深入分析的基础上，认为影响实验平台测试准确性的主要问题是实验系统中供水系统的试验压力不稳定。为了解决这一问题，在研究变频恒压供水理论的基础上，设计出变频恒压控制系统，采用了PLC(PID) 对试验供水压力及真空度进行控制。试验平台理论上就是变频恒压控制系统。该平台由供水系统，真空系统， 控制系统三部分组成，可以完成七项试验：密封、耐压、流量、水击、虹吸、临界水位、噪音的测定。
1 控制系统硬件组成及其功能实现
1.1 PLC 及其扩展模块分析选择
PLC 是整个变频恒压供水控制系统的核心，它主要负责采集输入信号、控制输出单元、实现恒压、对外交换数据的工作。因此在选择PLC 时，要考虑PLC 的指令丰富程度、指令执行速度、通讯接口及协议、内存空间、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。本设计采用的OMRON 型PLC。PLC 的规格型号是cmh40 点的xa 型，最多7 个扩展单元，开关量最大320 点，摸拟量最大37 路。数据容量32K 字，本体40 点，24 点输入，16 点输出，继电器输出。通信上采用上位链接，无协议通讯。考虑到匹配问题， 扩展模块也采用OMRON 型号，电源电压 AC100~240V，输入 DC24V 输入24 点，输出继电器
1.2 变频器和水泵机组
变频器和水泵机组作为系统的执行机构，完成供水、供压的任务。要清楚水泵电机的功率及额定电流，用变频器控制水泵电机的转速，本设计采用西门子变频器。水泵采用小型三相异步电动机，其型号：Y2-112M-2; 功率：4Kw; 转速： 2890r/min[39]。
1.3 人机界面
人们可以通过触摸屏与系统交互信息，触摸屏显示水泵的运行电流、系统的运行流程、输出电压、变频器输出频率以及系统报警情况; 压力的设定、泵的运行方式、系统运行方式的选择也可以通过触摸屏操作完成。触摸屏选择过程中应该将它与PLC 的通讯情况考虑在内，用威纶通（wintouch） 公司TP 系列 MT506M 型号的触摸屏操控，触摸屏与PLC 等控制器相连接, 以PLC 为核心，将集散的若干控制器、传感器和变频器管理调度。其特点：画面的直观性，良好的兼容性，极高的性价比。
1.4 PID 调节器和压力送变器
通过压力变送器可以将水管中的压力信号转化为4-20mA 或1-5V 的模拟量信号，本文采用的是由北京瑞利维尔公司研发的4-20mA 输出压力变送器，PID 调节器选用日本富士PXW 型调节器( 硬件型)
1.5 启动装置
选择时应与电机的额定功率及额定电流相匹配。采用小型断路器，型号： DZ47-63 C20. 小型断路器即空气开关，是手动启动，有电流过载保护作用。
图4、当绝缘子两侧受力不均致使绝缘子发生倾斜时027
实验研究
Experimental Research
电子制作
1.6 PLC 用低压电器、隔离变压器、控制柜
PLC 的供电电源可以通过采用隔离变压器对其进行保护，而且PLC 不再受供电电源的干扰，电气控制柜和低压电器为该系统各种功能的实现提供了有利条件。
1.7 控制系统变频电路的设计
系统在运行过程中，实际供水压力如果低于系统所设定的压力，该控制系统就会得到正的压力差，经过相应的计算和转换，得出变频器输出频率的增加值，该增加值就是为了减小设定压力与实际供水压力的差值，将变频器当前的输出值与所得增加值加在一起，变频器当前所应输出的频率即为相加值。水泵机组会在该频率的作用下增加自身转速，提高实际供水压力，实际供水压力和设定压力不等之前此过程会一直循环下去，直到相等为止。系统在运行过程中，实际供水压力如果高于系统所设定的压力，情况恰好相反，变频器输出频率有所降低，水泵机组会在该频率的作用下减小自身转速，降低实际供水压力，在实际供水压力和设定压力相等之前该过程会被一直循环下去。
变频恒压供水控制系统采取了以下基本控制策略：采用可编控制器构成控制系统及电动机变频调速装置，进行优化控制水泵机组的调速运行，并控制供水压力及真空度，当管路流量发生变化时，可以对供水压力进行调节使其保持恒压状态，并且可以有效地节约电能。泵的出水压力是该系统的主要控制目标，将系统反馈的管路压力实际值与系统所设定的给水压力值进行比较，并将其数值输入CPU 中进行运算，根据运算结果发出相应的控制指令，对水泵与电动机转速进行控制，以此来确保供水管路压力保持在恒定状态。
变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区: 一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者像软启动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换: 另一种着法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇，所以有关变频器在拖动系统应用的文章中，碰到变频器的切换问题时，要么有意回避，不作具体描述: 要么一语带过，用简单的一句“切换到电网运行”不了了之。因此，如何在不停电的情况下，采用鉴频鉴相技术对变频器的输出电压进行跟踪， 当变频器输出电压的频率、幅值和相位均保持与电网电压一致时，实现变频器与电网之间的同步平稳切换，是多泵变频恒压供水系统中的关键问题。
2 供水系统的硬件组成及其功能实现
供水系统主要是由多级泵提供压力， 经过稳压罐稳压后，通过安装在出水管上的压力送变器传递信号，调节系统供水量，从而保证供水管路上的所需压力，实现了对阀类的密封性、水击、耐压以及流量试验的测定。主要包括：
（1）直角球阀：（采购件）：开启和关闭水箱中的水。
（2）不锈钢编制软管：由不锈钢波纹管外编钢带网套，两端以接头连接，可承受0—2.5MPa 的工作压力。
（3）水箱：焊接件，储水。
（4）多级增压泵：（采购件）型号CDJF4-22FS 多级离心泵，它采用小型三相异步电动机，型号Y2-112M-2 ；多级离心泵可以调节流量，其原理是：变频器可以改变电动机的转速，电动机的转速改变，导致多级离心泵流量可以调节。为系统的压力提供动力源。
（5）截止阀：（采购件）采用的真空隔离截止阀适用于公称压力PN4.0 ～ 10.0Mpa，可以切断或接通流动的介质。适用介质为：水、蒸汽等。关闭和开启稳压罐和系统的连接。
（6）稳压罐：（采购件）型号SN-400。主要技术指标：罐体公称直径400mm, 工作压力0.6~2.0MPa，总容积0.15L，调节容积0.05L，总重量125Kg。综合试验平台在水击试验时，有最大冲击压力1.75MPa，为了防止由此而引起的试验平台震动，降低水的动能，故设置稳压罐。
（7）流量传感器：（采购件）型号LWYGY-6。主要技术参数：公称通径： 12.7mm，精 确度:±1.0%R ；被测介质：对1Cr18Ni9Ti 和硬质合金没有损害的液体， 精确度：±1.0%R ；公称压力：2.5Mpa; 供电电源：内置。设计目的是：将供水系统的流量变化信息转变为电信号，传到控制系统中。
（8）压力送变器：设置两个压力送变器；一个测试管路供水系统压力，另一个是采样频率大于300Hz 的压力传感器，用于检测峰值压力，以此和管路压力比较作水击试验，记录铜管与进水管连接处的压力峰值与静压力之差。将水的压力变化信息转变成电信号，输送到控制系统中去。在压力送变器接口处安装了不锈钢缓冲管，其设计目的是：当系统压力发生变化（既压力冲击），保护压力送变器。
（9）铜管：纯铜（铜含量大于99.95%）；长5000mm，外径为15mm，壁厚为1mm 的铜管。将铜管盘成直径为270 mm 的弹簧状。其设计目的是：稳定在作水击试验时供水系统的压力。
（10）电动机：采用小型三相异步电动机，其型号Y2-112M-2，功率4Kw，转速2890r/min。电动机的调速采用变频器调速。
3 箱体的硬件组成及功能实现
箱体的作用是支撑，在箱体上安装着真空系统、供水系统、控制系统大小几十个机械电气元件。同时，在试验平台工作过程中，箱体要承受工作负载的卸荷压力。所以，箱体要有足够的强度、刚度和稳定性。
箱体由上箱体、下箱体及支架构成。箱体主体是焊接件，通过焊接、螺钉将Q235 制成的构件和角钢连接一体，其强度、刚度和稳定性完全符合设计要求。
4 平台的软件组成及功能实现
（1）系统运行主程序：系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作，并使扩展模块( 通讯模块、D/A 模块等)、触摸屏、变频器等设备与PLC 的数据传输正常。在系统运行过程中要及时进行故障检测，防止设备的损坏和意外发生; 当出现故障时，要在触摸屏上及时显示并进行报警输出，方便工作人员确认和维修，有利于系统恢复正常工作[12]。无故障情况下， 在触摸屏上显示设定力和实际压力，系统自动启动后，进行恒压控制。
（2）数字PID 子程序：该子程序与模糊控制子程序的功能一样的，只是控制算法不一样。在系统中，只需选择一个，通过对水泵转速的调节，实现系统输出压力的恒定。利用上章有关内容，在主程序初始化时计算Q0,QI,Q2，在子程序中直接读取A/D 模块的输出，得到当前的实际水压，将此压力值与压力设定值相减，得到当前误差量e (k)，计算控制增量ΔU(k)，将该增量通过PLC 与变频器的通讯去控制变频器的频率，实现恒压供水。其流程框图( 见图3.9) 如下:
（3）故障检测子程序：故障检测是保证系统安全、可靠运行的一个重要环节，在本文的自控系统中，检测的量主要有: 真空灌液位、变频器故障、水泵故障、压力传感器断线故障、水泵出水压力脱离正常范围等信号.
5 结束语
通过以上的硬件电路和软件电路的设计，各项指标基本达标，为实际应用中的便器水箱配件测试提供了一个有效而又可行的思路。
【参考文献】
[1] 朱雪凌. 基于PLC 的变频恒压供水系统的设计. 华北水利水电学院学报,2013
[2] 边树海. 基于STC
[3] 刘学林. 基于PLC 的变频恒压供水系统设计优先出版. 电子制作,2014
[4] 刘彦齐. 基于PLC 控制的城市变频恒压供水系统设计. 通讯世界,2013
【作者简介】
吴克文（1980-），男，硕士. 研究领域： 电脑芯片级维修，数据恢复。028